Як і все нове, комп'ютери, і, в особливості, персональні комп'ютери всіх видів, крім явних переваг і позитивного ефекту від використання, принесли усвідомлення того, що ці самі розумні і корисні інновації несуть в собі і дуже багато проблем
Як виявилося усунути такі проблеми виключно складно, а в більшості випадків проактіческі неможливо в межах допустимих фінансових витрат
Особливо це явище зміцнилося і поширилося на нові галузі і технологічні напрямки з появою інтернету
У цьому зв'язку найбільшу перспективу представляють так звані квантові комп'ютери
У цих типів комп'ютерів, загальні ознаки яких досі остаточно не визначені і не до кінця досліджені, також вже, навіть на початковому етапі розвитку, визначені та виявлено специфічні проблеми, також потребують вирішення для розширення та інтенсифікації інноваційного фронту проектів з розвитку інфраструктури квантових комп'ютерів
Фізики встановили, що квантова заплутаність - корельованості вимірювань фізичних характеристик об'єктів (наприклад спінів фотонів), яка вважалася "основною силою" квантових комп'ютерів, може бути для них шкідлива. Використання деяких особливо заплутаних станів призводить до того, що подібні машини програють своїм класичним аналогам. Стаття дослідників з'явилася в журналі Physical Review Letters, а її короткий виклад доступний на сайті Американського фізичного товариства.
В рамках своєї роботи, яка носила суто теоретичний характер, дослідники вивчали модель квантового комп'ютера, запропоновану німцями Гансом Брігель і Робертом Рауссендорфом в 2001 році. В рамках цієї моделі комп'ютер являє собою бінарну функцію (програму), яка по черзі проводить вимірювання підсистем деякої квантової системи, що представляє собою початкові дані програми. Робота функції на кожному кроці визначається, в тому числі, і результатами вже зроблених вимірів.
У роботі всякого квантового комп'ютера присутній елемент випадковості, оскільки він заснований на принципах квантової механіки, в основі якої лежить поняття ймовірності. У даній роботі елемент випадковості характеризувався так званої геометричної мірою заплутаності. В якості системи, на якій проходила робота функції-програми використовувалася система з n кубітів, а заплутувалися різні підмножини цієї системи.
У результаті дослідникам вдалося встановити, що основна частка вихідних станів системи - стани, при яких після роботи програми геометрична міра заплутаності виявляється вище, ніж якщо б завдання на кожному етапі алгоритму вирішували підкиданням монетки в повітря. За словами дослідників, даний результат показує, що, щоб бути придатними для практичного дослідження, квантові комп'ютери повинні використовувати не тільки явище квантової заплутаності, але й інші особливості мікросвіту.
Відразу дві групи фізиків заявили про створення систем з трьох заплутаних надпровідних кубітів. Подібні системи, теоретично, дають можливість мінімізувати кількість помилок, що допускаються квантовим комп'ютером. Роботи обох груп опубліковані в журналі Nature. Коротко вони описані на порталі Nature News.
Заплутаність - це особлива властивість квантових систем, яке проявляється в тому, що вони виявляються зв'язані один з одним, навіть перебуваючи на значній відстані. Якщо стан однієї з систем змінюється, то одночасно змінюється і стан решти. Ця особливість дозволяє спостерігачеві дізнаватися стан всіх заплутаних систем, проводячи вимірювання тільки для однієї з них.
Вважається, що заплутаність може виявитися корисною при створенні квантових комп'ютерів - обчислювальних пристроїв, які зможуть проводити набагато більше обчислень в одиницю часу, ніж звичайні комп'ютери, завдяки тому, що квантові системи одночасно знаходяться в декількох станах - так звана суперпозиція. Однак при проведенні обчислень такі комп'ютери неминуче помиляються - через особливості своєї природи вони втрачають частину інформації.
Для того щоб обійти ці труднощі, необхідно використовувати для обчислень системи з більш ніж трьох кубітів (квантових аналогів бітів). Щоб дізнатися, чи не чи відбулася помилка, необхідно провести вимірювання, а це руйнує суперпозицію. Але якщо кожен кубіт заплутаний з ще двома, то можна виміряти стан двох з них, у той час як третій продовжить "працювати".
Авторам двох нових робіт вперше вдалося заплутати три кубіта, що представляють собою надпровідні електричні контури - саме вони вважаються найбільш перспективними конструкціями для створення квантових комп'ютерів, так як з ними можна оперувати практично так само, як із звичайними електронними пристроями. Одна з груп змогла домогтися стану квантової заплутаності GHZ, яке є суперпозицією трьох кубітів в стані 0 або 1. Другий колектив реалізував так званий стан W, коли два з трьох заплутаних кубітів представляють логічне значення 0, а один - 1.
Поки жодна з груп на практиці не показала, наскільки в створених ним системах можливе виправлення помилок.
Хоча заплутування трьох надпровідних контурів є значним досягненням, при створенні інших квантових систем фізики вміють заплутувати куди більшу кількість складових. Так, ученим вдалося створити систему з восьми заплутаних іонних кубітів і десяти фотонних. Крім того, нещодавно був запропонований алгоритм, теоретично, дозволяє заплутувати довільне число частинок.
Важливість і захоплюючі перспективи подальшого розвитку теми, активно сприйняті інноваційним співтовариством і це дало поштовх до нових і нових досліджень та ідеям
Фізики розробили квантовий комп'ютер, обчислювальна потужність якого при масштабуванні здатна у багато разів перевершити здатності класичних ЕОМ. Результати чотирьох незалежних груп дослідників зі створення подібних пристроїв з'явилися в журналі Science і архіві Корнельського університету, коротко суть публікацій переказує Nature News і Science Now.
Пристрій складається з розташованих на мікрочіпі декількох скляних хвилеводів, кілька разів перехрещуються між собою. Одиночні фотони подаються на введення пристрою і детектируются на його виході.
Те, в які висновки потраплять фотони, залежить від їх взаємодії між собою в місцях перехрещення. Ця взаємодія можна досить просто змоделювати на звичайному комп'ютері, але тільки до тих пір, поки фотонів дуже мало. З ростом їхнього числа обчислювальна складність такого завдання зростає експоненціально. При 25 фотонах на 400 каналах виміряти отриманий результат стає вже простіше, ніж його вирахувати.
Вчені звертають увагу на те, що створене оптичний пристрій є фактично квантовим комп'ютером, обчислення в якому проводяться за допомогою взаємодії фотонів. При моделюванні поведінки фотонів комп'ютер вирішує задачу обчислення перманенту матриці - та ж сама задача в створеному оптичному пристрої вирішується "фізично". Перманент матриці - це функція від елементів цієї матриці, використовувана в дискретній математиці та комбінаториці. Формула для перманенту виглядає як формула для визначника матриці, в якій всі мінуси замінені на плюси. На відміну від визначника обчислення перманенту є вкрай складною з обчислювальної точки зору завданням.
Головним недоліком створеного пристрою є його вузька спеціалізація для рішення однієї задачі. Поки "комп'ютер" здатний справлятися тільки з одним завданням - обчисленням перманенту, але автори підкреслюють, що головне при його створенні - показати потенційні здатності пристрою.
Для створення більш звичних квантових комп'ютерів зазвичай використовуються іонізовані атоми, зібрані в квантово заплутані системи. Обчислення в них проводяться за допомогою зміни спінів. Ключовою відмінністю квантових пристроїв від класичних є те, що вони здатні одночасно знаходитися в декількох станах, тому обчислення в них проводяться одночасно, а не послідовно, і отриманий результат має імовірнісний характер.
Європейські фізики розглянули динаміку поведінки спінів в системі наномагніти, опромінюючи їх комплекси нейтронами. Робота вчених опублікована в журналі Nature Physics, а її короткий зміст можна прочитати на сайті Інституту імені Лауе-Ланжевена в Греноблі.
Автори вивчали наномагніти на основі кільцевих органічних комплексів, які несуть декілька атомів металів. Спини електронів володіють в таких системах незвичайними властивостями, що пояснюється суворим кінцевим розміром останніх. Подібні комплекси цікавлять вчених як потенційні пристрої зберігання інформації у квантових комп'ютерах.
Вчені показали, що поведінка спінів електронів в таких системах можна виміряти безпосередньо, без використання комп'ютерного моделювання. Для цього фізики опромінювали кристалічні зразки пучком нейтронів і фіксували їх розсіювання. Вимірювання дозволило скласти карту магнітних моментів в комплексі і простежити їх динаміку.
Раніше математики з Массачусетського технологічного інституту показали, що в квантових системах з трьома станами спина заплутаність зростає із збільшенням кількості частинок. Це означає, що в майбутньому можливе створення квантових систем з великою кількістю одночасно заплутаних часток. Такі системи потрібні для будь-яких відносно складних квантових обчислень.
Групі фізиків з Японії, Китаю і США вперше вдалося побудувати на практиці квантовий комп'ютер з архітектури фон Неймана - тобто з фізичним поділом квантового процесора і квантової пам'яті. Стаття вчених з'явиться в журналі Science, а її препринт доступний на сайті arXiv.org.
На даний момент для практичної реалізації квантових комп'ютерів (обчислювальних машин, в основу яких покладено незвичайні властивості об'єктів квантової механіки) фізики використовують різного роду екзотичні об'єкти та явища - захоплені в оптичну пастку іони, ядерний магнітний резонанс. В рамках нової роботи вчені покладалися на мініатюрні надпровідні схеми - можливість реалізації квантового комп'ютера за допомогою таких схем була описана в Nature в 2008 році.
Зібрана вченими обчислювальна машина складалася з квантової пам'яті, роль якої виконували два мікрохвильових резонатора, процесора з двох кубіт, з'єднаних шиною (її роль теж грав резонатор, а кубіти представляли собою надпровідні схеми), і пристроїв для стирання даних. За допомогою цього комп'ютера вчені реалізували два основних алгоритму - так зване квантове перетворення Фур'є, і кон'юнкцію за допомогою квантових логічних елементів Тоффолі.
Перший алгоритм являє собою квантовий аналог дискретного перетворення Фур'є. Його відмітною особливістю є набагато менший (близько n2) кількість функціональних елементів при реалізації алгоритму в порівнянні з аналогом (порядка n 2n). Дискретне перетворення Фур'є застосовується в самих різних областях людської діяльності - від дослідження диференціальних рівнянь в приватних похідних до стиснення даних.
У свою чергу квантові логічні елементи Тоффолі являють собою базові елементи, з яких, з деякими додатковими вимогами, можна отримати будь-яку булеву функцію (програму). Відмінною особливістю цих елементів є оборотність, що, з точки зору фізики, серед іншого дозволяє мінімізувати тепловиділення пристрою.
За словами вчених, створена ними система володіє однією чудовою плюсом - вона легко масштабується. Таким чином, вона може служити свого роду будівельним блоком для майбутніх комп'ютерів. За словами дослідників, нові результати наочно демонструють перспективність нової технології.
Інженери Массачусетського технологічного інституту створили на основі графену і нанофіламентов оксиду цинку гнучкі гібридні фотоелементи. Опис роботи опубліковано в журналі Nano Letters, а її короткий зміст переказується на сайті інституту.
Пристрій складається з одноатомного шару графена, покритого захисним полімерним шаром. На ньому розташовані нанофіламенти оксиду цинку, покриті квантовими точками із сульфіду свинцю або органічним полімером P3HT. Графен виступає в якості прозорого електрода, через який в пристрій потрапляє світло, а квантові точки є поглиначами випромінювання.
Фотоелементи подібної архітектури вже створювалися раніше, але замість графена в них зазвичай використовувався оксид індію-олова (ITO). Застосування графена замість неорганічного оксиду зробило новий пристрій гнучким.
Ефективність роботи створеного авторами прототипу сягає 4,2 відсотків, що досить мало в порівнянні зі стандартними кремнієвими фотоелементи, але можна з ефективністю подібних експериментальних пристроїв.
Раніше дослідники використовували графен для створення повністю вуглецевого фотоелемента. В якості светопоглощающего речовини в ньому виступали вуглецеві нанотрубки. При цьому ефективність експериментальної сонячної батареї не перевищувала одного відсотка.